第十一章智能建筑的空调环境控制.docx
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第十一章智能建筑的空调环境控制
第十一章智能建筑的空调环境控制
本章主要内容:
1.智能建筑概述
2.智能建筑的环境控制系统
(1)智能建筑的室内环境标准
(2)智能建筑的冷(热)、湿负荷计算特点
(3)智能建筑的空调方式
(4)智能建筑的气流组织
(5)智能建筑的空调冷热源
3.智能建筑空调系统的监控举例
§11.1智能建筑概述
前言:
智能建筑(IntelligentBuilding,IB)也称智能大厦,是当代高新科技和古老的建筑技术结合的产物,它已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志之一。
定义:
智能建筑本身是一个动态的概念,它随着计算器技术、通信技术和现代控制技术的发展而发展,并将继续发展下去。
确切地说智能建筑应定义为:
能满足用户实现高效率的需要,为用户提供安全、舒适、系统综合、有效利用投资、节能和具备很强的使用功能的建筑物。
智能建筑的组成:
智能建筑主要由:
建筑物自动化系统(BuildingAutomationSystem,BAS)
办公自动化系统(OfficeAutomationSystem,OAS)
信息通信系统(CommunicationSystem,CAS)
等三大系统组成。
利用计算机网络和通信技术,在三大系统间建立起有机的联系,把原来相对独立的资源、功能等集合到一个相互关联、协调和统一的完整系统之中,形成智能建筑中的系统集成。
§11.1.1建筑物自动化系统(BuildingAutomationSystem,BAS)
建筑物自动化系统(BAS),又称楼宇自动化控制系统,或建筑设备管理自动化系统。
它采用现代传感技术、计算机技术和通信技术,对建筑物内所有机电设施进行自动控制。
这些机电设施包括变配电、给水、排水、空气调节、采暖、通风、运输、火警、保安等系统设备。
建筑设备管理自动化系统4个方面:
1.源环境管理系统
(1)空调(HVAC)控制系统。
主要包括冷、热负荷预测控制,室内二氧化碳浓
度控制,各种冷热源机组、空调机组、新风机组等的监测控制。
(2)给排水控制系统。
主要包括水泵、水箱水位控制,排水控制,以及节水控制管理等;
2.防灾与保安系统
(1)火灾报警及消防控制系统(FAS)。
主要包括火灾报警,自动消防,防排烟
系统,以及煤气泄漏报警,漏电报警,结构及地震监测与报警,水灾报警等;
(2)安保系统(SCS)。
主要包括闭路电视(CCTV)监控,电子出入口控制,身
份识别,防盗防抢,保安巡逻等。
3.电力供应管理系统
(1)变配电及备用应急电站的监控系统。
主要包括变、配电设备,自备发电
机,直流电源,发动机负荷控制等;
(2)明监控与管理系统。
主要包括电力需求控制,功率因数改善控制,停电复
电控制,昼光利用照明控制,点光调光照明控制等。
4.物业管理服务系统
(1)运输设备控制系统。
主要包括电梯、自动扶梯以及停车场的监视控制;
(2)运行报表统计、分析与计量,设备维护与管理系统。
主要包括运行、操作
数据编集和分析评价,能源计量,节能诊断,故障预知诊断,报警信息记录编集等。
§11.1.2办公自动化系统(OfficeAutomationSystem,OAS)
办公自动化系统(OAS)是一门综合多种技术的新型学科,它涉及的学科很广
泛。
主要以行为科学、管理科学、社会学、系统工程学、人机工程学为理论,结合
计算机技术、通信技术、自动化技术等,不断使人的部分办公业务活动,物化于人以
外的各种设备中,并由这些设备取代人工进行办公业务,最大限度地提高办公效率
和办公质量,尽可能充分地利用信息资源,提高管理和决策的科学化水平,实现办
公业务科学化、自动化。
办公自动化系统按其功能可分为事务型办公自动化系统、管理型办公自动化系
统、决策型办公自动化系统三种模式:
1.事务型办公自动化系统
事务型办公自动化系统由计算机软、硬件设备,简单通信设备,处理事务的数
据库,以及基本办公设备组成。
主要处理日常的办公业务,如文件收发登记、电子表格处理、电子文档管理、人事管理、财务统计、报表处理、办公日程管理以及个人数据库等,是直接面向办公人员的。
2.管理型办公自动化系统
管理型办公自动化系统是在事务型办公自动化系统的基础上建立综合型数据库,把事务型办公系统和综合信息紧密结合而构成的一体化办公信息处理系统。
管理型办公自动化系统,除了具备事务性办公自动化系统的全部功能之外,主要增加了信息管理功能,能对大量的各类信息综合管理,提高办公效率和质量。
3.决策型办公自动化系统
决策型办公自动化系统建立在管理型办公自动化的基础上,由综合数据库系统所提供的信息,针对需要作出决策,构造或选用决策模型,给决策者提供支持。
§11.1.3信息通信系统(CommunicationSystem,CAS)
信息通信系统是将智能建筑中的三大系统连接成有机整体的核心。
信息通信系统是以结构化综合布线系统为基础,以程控用户交换机为核心,以多功能电话、传真、各类终端为主要设备而建立起的建筑物内一体化的公共通讯系统。
这个通信系统主要包括语音通信系统、数据通信系统、图文通信系统、卫星通信系统以及数据微波通信系统等。
信息通信系统发展的方向是综合业务数字网,综合业务数字网具有高度数字化、智能化和综合化能力,它能将各种传输信息以数字方式统一起来,为用户提供包括电话、高速传真、智能用户电报、可视图文、电子邮政、会议电视、电子数据交换、数据通信、移动通信等多种电信服务。
智能建筑中的信息通信系统与办公自动化系统关系密切。
在计算机的帮助下,利用宽带化的信息传输技术,使位于不同地点的多个办公用户可以互相面对面地自由交谈,实现人—机以及人—人远距离通信达到一个新的境界。
§11.1.4结构化综合布线系统(StructuredCablingSystemsSCS)
结构化综合布线系统,是建筑物中或建筑群间信息传递的网络系统。
它将所有
的语音、数据、视频信号等的布线,经过统一的规划设计,综合在一套标准的布线
系统中,将智能建筑的BAS、OAS、CAS三大子系统有机地联系在一起。
结构化综合布线系统,按其应用环境的不同可分为:
建筑物与建筑群综合布线系统:
以商务环境和办公环境为主,为满足综合业务
数字网的需求而特别设计的配线系统;
智能建筑布线系统:
以建筑环境控制和管理为主,在建筑物与建筑群综合布线
系统的基础上发展起来的模块化式的建筑物布线系统,可以传输采暖、通风、空调
的控制信号以及照明、消防等等各种传感器信号。
工业布线系统:
是用来解决工业厂房中特种信息传输问题的结构化布线系统。
§11.1.5智能建筑系统综合
所谓系统综合,就是将建筑物的若干个既相对独立又相互关联的子系统组成具
有一定规模的大系统的过程。
这个大系统不是子系统的简单堆积。
系统综合的目的是为了提高对智能建筑综合协调和管理的能力,其本质是要达
到资源共享。
所以,系统综合并不是各个子系统的简单组合,也不是具体设备的简
单组合,而是借助于建筑物自动化系统、通信自动化系统和办公自动化系统把现有
的分离的设备、功能、信息等综合到一个相互关联的、统一的、协调的系统之中。
§11.1.6智能建筑的技术基础
智能建筑的发展,是建筑技术与信息技术相结合的产物,是电子技术、通信技术、网络技术、计算机技术、自动控制技术、传感技术等一系列先进技术飞速发展的结果。
智能建筑发展的技术基础概括为:
现代建筑技术(ModernArchitectureTechniques)
现代计算机技术(ModernComputerTechniques)
现代控制技术(ModernControlTechniques)
现代通信技术(ModernCommunicationTechniques)
即A+3C技术。
§11.1.7智能建筑的基本要求和功能特点
1.智能建筑的基本要求
智能建筑的基本要求是:
建筑设备管理管理自动化、智能化,办公自动化,信息通信系统一体化、信息通信技术多媒体化。
智能建筑提供的环境应该是一种优越的生活环境和高效率的工作环境,应具有:
(1)舒适性。
(2)高效性。
(3)方便性。
(4)适应性。
(5)安全性。
(6)可靠性。
2.智能建筑的功能
(1)具有信息处理功能。
信息通信的范围不只局限于建筑物内部,应能在城市、地区或国家间进行。
(2)能对建筑物内照明、电力、暖通、空调、给排水、防灾、防盗、运输设备等进行综合自动控制。
(3)能实现各种设备运行状态监视和统计记录的设备管理自动化,并实现以安全状态监视为中心的防灾自动化。
(4)建筑物应具有充分的适应性和可扩展性,它的所有的功能,应能随技术进步和社会需要而发展。
3智能建筑的特点
(1)具有多种内部及外部信息交换手段,以及装备性能良好的通信设备。
(2)对建筑物内机械、电气设备进行自动控制、程序控制及综合管理,实现建筑设备管理自动化。
(3)办公自动化。
(4)有易于改变的空间及舒适的环境。
§11.1.8智能建筑的发展趋势及投资估算
1.智能建筑的发展趋势
智能建筑的发展是科学技术和经济水平的综合体现,它已成为一个国家、地区和
城市现代化水平的重要标志之一。
随着社会的进步、科技的腾飞以及人类的需求,智能建筑正在向系统集成化、
管理综合化、智能城市化的多样化的方向发展。
2.智能建筑的投资估算
智能建筑的总投资,除了土建和机电设备外,主要是建筑物自动化系统、办公自
动化系统、和信息通信系统的投资:
(1)建筑物自动化系统的投资。
建筑物自动化系统的投资根据系统的复杂程度
而定,一般约占基建总投资的1%~2%。
(2)办公自动化系统的投资。
办公自动化系统的投资主要是电缆系统及办公自
动化系统室内设备的控制系统,它的投资一般不超过基建总投资的1%。
(3)信息通信系统的投资。
信息通信系统的投资一般约占基建总投资的1%以
下。
(4)结构化综合布线系统的投资。
结构化综合布线系统的投资一般是整个建筑
预算的5%~7%。
一般说来,用于智能建筑的附加投资低于基本投资的3%,而建筑物的价值却因
其智能化而可以提高15%左右。
3.智能建筑的使用周期
智能建筑的使用周期大约为:
(1)土建结构,40年;
(2)建筑物自动化系统(BAS),5~7年;
(3)办公自动化自动化系统(OAS),2~3年;
(4)信息通信系统(CAS),3~5年;
(5)结构化综合布线系统(SCS),10~20年。
§11.2智能建筑的环境控制系统
智能建筑是传统的建筑技术和现代信息技术以及计算机技术相结合的产物,是人、信息与环境相融合的系统,因而十分重视建筑环境的舒适性、结构的通融性以
及空间的开创性。
智能建筑设计的任务大致可分为建筑环境、空调环境和视觉环境等三个方面。
§11.2.1智能建筑的建筑环境
智能建筑的建筑设计应遵循都市化、生活化、媒体化等三项原则。
能建筑对建筑环境的要求主要有以下几个方面:
1.开敞的建筑空间
为适应现代办公的需要,在智能建筑中一般都采用开敞空间的设计,以适应灵活多变的使用功能。
在建筑物的平面布局方面,需要处理好下述建筑空间:
(1)导入空间(PromotionalSpace)
(2)通行和短暂停留空间(TransitSpace)
(3)业务空间(GeneralSpace)
(4)决策空间(DecisionSpace)
(5)休闲空间(ResortSpace)
(6)装置空间(InstallationSpace)
2.有效的噪音控制
智能建筑室内噪音主要来自空调系统以及电脑等设备所带风机发出的低频噪音,其次是打印机等设备发出的机械噪音、荧光灯发出的电气噪音以及接听电话的干扰等。
因此,严格控制风道内风速一般不大于8m/s;
电脑等设备所带风机产生的低频噪音和照明灯具发出的电气噪音,除了在选购设备和灯具时注意其噪音的大小之外,还可采用在室内播放背景音乐的方法予以掩盖;
打印机等可能产生机械噪音的设备应设置隔声屏予以遮挡;
在开放式办公室中,工作人员接听电话或谈话会给他人带来干扰,也可能会泄漏业务机密或侵犯个人隐私,一般应设置隔声挡板。
3.灵活、方便的配线方式
配线方式主要分为垂直方向和水平方向。
1)垂直方向的配线:
大多是通过垂直配线竖井敷线。
办公自动化系统和建筑物自动化系统布线,与信息通信系统的通信电缆,根据具体情况既可同井敷设,也可分别敷设,但它们均不可与电力电缆同井敷设。
一般来说,如果建筑物每层面积为1000m2,则每层均需分别设置10m2左右的强电配电小室和综合布线的电信间,以供垂直方向配线。
2)水平方向的配线方式:
(1) 预埋电线管配线方式:
这种配线方式就是将电线管预埋在楼板内,或在制
作水泥地面时预埋金属管线,并预留出线口和过线口的配线方式。
这种配线方式的优点是施工方便,投资少。
但这种配线方式不够灵活,且容量小,无法扩展,不能满足配置能力的动态需要。
(2)线槽配线方式:
就是在金属或塑料线槽中配线的方式,线槽安装在吊顶内。
这种配线方式容易与空调通风管道、给水排水管道、消防管道等争抢空间,引起净高降低。
(3)双层地板配线方式:
就是利用简易双层地板与原楼板间的空间来配线的方式。
这种配线方式既可直接在原楼板面上配线,也可在线槽中配线,或在双层地板中的线槽中配线。
双层地板通常安装高度约30cm。
(4)扁平电缆配线方式:
就是在楼板上敷设扁平电缆,并用胶带固定,铺盖地毯的配线方式。
(5)网络地板配线方式:
网络地板是近几年来集结构与配线于一体的新型建筑材料材料,在网络地板中配线就称为网络地板配线方式。
网络地板结构设计每隔50cm有一条条状通道,线缆由安装在单面板或侧盖板的地面接线盒引出,十分方便。
地板的安装高度仅有5cm,不会影响建筑物层高。
4.标准的吊顶高度
因为智能建筑的综合线缆需要有足够的布线空间,同时又要保证一定的建筑净空,以免产生压抑感,所以必需选取合适的层高标准。
智能大厦标准层的净高与楼面面积有关,如下表所示:
由此可见,如果增加双层地板的安装高度,并考虑吊顶的空间高度,智能大厦的层高可达4~4.5m。
§11.2.2智能建筑的空调环境
1.智能建筑的室内环境标准
总的要求:
良好的空调环境是保证智能建筑环境舒适性的重要条件之一。
要形成良好的空调环境就必须有合适的温湿度控制,均匀的气流组织分布,良好的室内空气品质,符合环境要求的噪音控制,既保证建筑物内各种电子、通讯、计算机、自动控制等设备以及监测仪表、传感器等仪器能正常工作,而且要求空调系统投资、运行费用经济合理,并能根据办公功能或出租的要求,灵活机动地改变空调分区。
表11—1是美国ASHRAE手册1991年(应用篇)对办公楼室内环境的规定;表11—2是日本建设省对高度信息化建筑物室内环境的规定;表11-3是我国学者提出的室内空气品质标准的建议值。
表11—1办公楼室内环境标准(美国ASHRAE手册1991年)
项目名称
冬季
夏季
室内温度
21—23℃
23—26℃
室内相对湿度
20%—30%
40%—50%
室内风速
0.13—0.23m/s(或4—10L/sm2)
换气次数
4—10次/h
最小新风量
0.03—1.3L/sm2,或2.5L/sp(9m3/hp)
允许噪声值
NC30—45
过滤器滤尘效率
35%—60%
表11—2高度信息化建筑物室内环境标准(日本建设省)
室内温度
17—28℃
CO浓度
<10ppm
室内相对湿度
40%—70%
CO2浓度
<1000ppm
室内气流速度
<0.5m/s
浮游粉尘量
<0.15mg/L
表11—3我国室内空气品质标准建议值
室内温度
18—28℃
CO浓度
10ppm
室内相对湿度
30%—70%
NO2浓度
50ppb
室内平均风速
0.1—0.5m/s
SO2浓度
25ppb
可吸入尘
150mg/m3
甲醛浓度
100ppb
CO2浓度
1000ppm
菌落数
30CFU/gcm.5min
解决室内空气品质问题最直接的办法是增加新风量。
美国ASHRAE标准62—1981关于最小新风量的规定如表11—4所示。
表11—4最小新风量规定(美国ASHRAE标准62—1981)
房间名称
每m2建筑面积人数
吸烟(m3/hp)
不吸烟(m3/hp)
办公室
0.07
34.0
8.5
会客、接待室
0.6
59.5
11.9
小会议室
0.5
59.5
11.9
大会议室
1.2
59.5
11.9
以上的新风量标准都是以稀释室内CO2浓度为目标的。
如果考虑室内诸多低浓度污染物的影响,创造健康建筑,那么,要使室内空气品质达到可接受的水平,所需要的新风量如表11-5所示。
表11—5办公大楼所需新风量
标准类别
允许吸烟(L/sm2)
不允许吸烟(L/sm2)
室内空气品质达1.4dP
5
1.4
北欧标准NKB—1981
1.0
0.4
德国标准DIN—1983
1.9
1.4
ASHRAE标准62—89
0.8
注:
上表中假定办公室人员密度为0.1p/m2,并忽略室外空气污染。
新风量的增加,会使空调系统的初投资和运行费用相应增加。
从节能的角度讲,改善室内空气品质不能仅靠被动式的增加新风量的方法,首先应从杜绝污染源方面努力。
在引入新风时要注意提高新风的使用效率,首先应设法采集无污染或低污染的新风,其次要避免新风在输送途中被污染,以保证入室新风的新鲜度。
一般来说,新风途经时间越长,越容易受到污染。
所以,在节能的前提下,研究将新风直接送入室内的方法,对于减小新风“年龄”、提高新风使用效率无疑是一种十分有效的措施。
2.智能建筑的冷(热)、湿负荷计算特点
智能建筑的最大特点之一,就是办公自动化(OfficeAutomation简称OA)设备特别多,因此其室内设备发热量远远地大于普通建筑的发热量,以至于成为影响空调负荷的主要因素。
OA设备的发热量因设备型号的不同而不同,且变化很大,通常可根据下列公式进行估算:
QOA=Σ(WOA×FOA)(11—1)
式中:
QOA—OA设备总发热量,(kW);
WOA—各种OA设备的电力容量,(kW);
FOA—各种OA设备的运转率,见表11—6
表11—6OA设备运转率
设备名称
运转率
个人电脑文书处理机
0.5~0.7
复合工作站
0.4~0.6
专用工作站
0.6~0.8
影印机
0.6~0.8
其他
0.1~0.3
在计算空调显热负荷时,OA设备的发热量也可按80W/m2进行估算。
此外,在进行智能建筑的冷(热)、湿负荷计算时,还需注意以下几个问题:
(1)在智能建筑中,OA设备一般安置在地板面以上0.6~1.5m处,设备发热源处于房间中部,所以,由于对流作用而使热量主要集中在房间的上部。
此外,OA设备的发热量中,辐射散热的比例比较大,因此必须考虑辐射引起的热负荷。
(2)智能建筑中的OA设备启停频率,设备发热负荷呈不连续状态,再加上办公室内OA设备经常更新或添置,因此室内负荷有增加的趋势。
(3)为防止OA设备的VDT反光和眩光,智能建筑中普遍采用间接照明。
因间接照明会降低室内照度,所以必须增加照明灯具的数量,从而加大了照明负荷。
照明设备的发热量,可按20~40W/m2的平均耗电量来估算,具体数值应根据智能建筑的等级和照明方式确定。
(4)由于建筑物内使用的办公自动化设备增多,工作人员减少,人均占地面积要高于普通办公大楼。
普通办公大楼内人员密度约5m2/p,而智能大厦约为8~10m2/p左右,个人办公室可能会达到15~20m2/p。
因室内人数下降,相应的人体发热量减少,从而减小了空调潜热负荷。
(5)在高层和超高层智能大厦中,窗墙比比较大,甚至采用玻璃幕墙,墙体材料也多采用轻质材料,再加上高处风大,外表面换热系数也大,以至于外围护结构的传热衰减比较小,延迟时间也比较短,因此可用稳定传热方法计算外围护结构的传热负荷。
又由于不透明外墙在外围护结构中所占面积比例较小,因此在计算高层或超高层智能建筑围护结构形成的空调负荷时,可以忽略不透明外墙的传热负荷,只计算玻璃窗形成的负荷。
为了减少玻璃窗形成的冷热负荷,可选用新型节能建材—低辐射玻璃(Low—E玻璃)。
低辐射玻璃是用真空镀膜的方法在聚酯薄膜上镀以铝、铜或银金属层,在金属层外表面再覆盖一层12.7μm(或25.4μm)的聚丙烯保护膜。
冬季可将来自室内的热辐射反射回室内,夏季可反射室外太阳辐射,从而降低了外窗传热系数,改善了玻璃窗的遮阳效果。
低辐射玻璃的传热系数如表11—7所示:
表11—7各种玻璃窗的传热系数(W/m2℃)
玻璃类型
铝合金窗框无切断冷桥
铝合金窗切断冷桥
木或塑料窗框
单层玻璃
6.98
6.25
5.56
双层玻璃
6mm空气间层
9mm空气间层
≥13mm空气间层
4.43
4.20
4.09
3.69
3.41
3.35
3.12
2.90
2.78
双层玻璃
夹层表面辐射率е=0.40
6mm空气间层
9mm空气间层
≥13mm空气间层
4.15
3.80
3.69
3.35
3.07
2.95
2.84
2.56
2.78
双层玻璃
夹层表面辐射率е=0.15
6mm空气夹层
9mm空气夹层
≥13mm空气夹层
3.86
3.52
3.29
3.12
2.73
2.56
2.61
2.21
2.04
注:
表中玻璃厚度均为3mm,导热系数3W/m2℃,聚脂薄膜导热系数0.62W/m2℃,制表条件室内温度21℃,室外气温-18℃,风速10.7m/s,外表面换热系数为28.9W/m2℃。
智能大厦的设备发热量远高于一般办公楼,因此,智能建筑夏季空调冷负荷约为一般办公楼的1.3~1.4倍,而冬季热负荷则比一般办公楼减少约50%。
3.智能建筑的空调方式
智能建筑的空调系统一般分为内区空调和周边区空调两大部分。
由于许多公司实行“弹性工作时间”,人员在室内时间不固定,或出租办公楼中各租户的上下班时间不一致等原因,为了保持空调环境的均匀性和稳定性,同时又能满足各用户的个别需求,因此,内区空调方式的总趋势是分散化和个别化,目前多采用背景空调(全场空调)+桌面空调(个人空调)的方式,即新风机组+终端空调机的方式。
由于智能建筑内部发热量中显热比例增大,使室内负荷与新风负荷的热湿比出现了较大的差异,因此,由不同的空调机组分别处理新风负荷和室内负荷十分必要。
终端空调机可选用风冷式热泵型冷热水机组等局部式空调机,根据室内负荷的变化性和参差性,采用变风量(VAV)控制,而新风空调机组则可采用定风量(CAV)控制,以确保负荷变动时的新风量。
两种空调机组将处理好的新风和室内循环风用所谓“成对风道”同时送入室内,达到满足室内环境要求的目的。
智能大厦周边区空调的主要目的是尽量减少热量的转移和日射的影响,防止冷吹风感,建立一个体感温度均匀分布并有良好辐射环境的舒适的室内环境。
同时,还要考虑
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- 第十一 智能建筑 空调 环境 控制